分层缺陷对复合材料壳体裙连接区轴向承载性能影响分析

为掌握固体发动机复合材料壳体裙连接区在复合材料界面分层缺陷状态下的承载性能,基于损伤失效分析方法研究了裙连接区不同界面、不同位置存在不同大小的复合材料分层/脱粘缺陷时的承载能力,分析了缺陷对裙连接区结构局部屈曲、裂纹扩展及损伤失效的影响规律。结果表明,复合材料层间界面存在临界缺陷尺寸,当缺陷小于临界尺寸时,结构承载能力基本不变,当缺陷大于该临界尺寸时,连接区的失效形式和极限载荷均受到较大影响;对于复合材料轴向补强层与环向缠绕层之间的初始分层缺陷而言,当缺陷位置处于裙连接区过渡层轴向位置之后时,裙连接区的承载方式无明显变化,仍受整体屈曲的控制;但缺陷位置与裙连接区过渡层轴向位置相同时,则易发生局部屈曲,对连接区承载能力影响较大。     

薄界面3DC/SiC复合材料的热震损伤机制

为了研究薄界面3D C/SiC复合材料的热震行为,利用高频加热器在氩气保护环境中进行了700～1200℃的热震试验,然后基于热震试验后复合材料微结构变化和剩余强度变化,结合热应力的计算,确定了薄界面3D C/SiC复合材料的热震损伤机制.研究发现,在700～1200 ℃之间热震时,薄界面3D C/SiC复合材料会发生基体开裂和界面脱粘.基体开裂与裂纹扩展导致复合材料强度降低,界面脱粘导致复合材料强度提高.薄界面3D C/SiC复合材料的基体裂纹在热震50次左右达到饱和,裂纹饱和前,强度逐渐降低;裂纹饱和后,强度逐渐提高.     

基于裂尖塑性区的复合材料复合型裂纹断裂准则

基于Tsai-Hill强度理论,在平面应力条件下,推导了复合材料Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹塑性区尺寸表达式,分析了裂纹扩展方向与裂纹尖端塑性区的关系,推广并证明了R准则在复合材料裂纹扩展方向预测中的适用性.数值算例分析了不同纤维方向和裂纹倾斜角对复合材料复合型裂纹开裂角的影响.结果表明,R准则是一个通用的断裂准则,适用于预测各向同性材料和复合材料各种裂纹的扩展方向;纤维方向和裂纹倾斜角对断裂角的影响较明显,可能是导致复合材料复杂断裂机理的原因之一.     

C/C复合材料表面烧蚀细观形貌损伤分析

基于C/C复合材料烧蚀表面细观形貌和细观结构上的流场分布规律研究,着重分析了微裂纹尺寸对C/C复合材料中Z向纤维和基体界面上因变温引起的开裂损伤的影响,给出了微裂纹随温度变化的扩展规律及微裂纹特征尺寸随温度变化的表达式;提出了在高温下因变温而造成的损伤模型,为C/C复合材料结构烧蚀计算提供了一种基础性理论。研究结果表明,高温下变温会引起C/C复合材料力学性能的劣化。     

表面改性碳纤维增强树脂基复合材料研究进展

界面是处于连接增强纤维和基体之间的极其重要的微观结构,良好的界面结合能有效地传递载荷,从而提高材料的力学性能,由于碳纤维表面呈惰性,比表面积小,表面能低等缺点导致材料界面层结合强度低,因此有必要通过某种途径改善其上述缺陷.目前,改善碳纤维表面缺陷的方法是对碳纤维表面进行表面改性处理,从而提高其界面力学性能.在界面的研究中,提高其碳纤维与基体的结合强度是改善复合材料力学性能的关键.因此,对碳纤维复合材料界面结合强度的各种影响因素进行分析,综述了碳纤维增强树脂基复合材料界面构筑方法及其对复合材料力学性能的影响.     

包含细微缺陷的碳纤维增强复合材料管件结构弯曲性能表征

碳纤维增强树脂基（CFRP）复合材料管件结构力学性能受其内部细微缺陷的影响。对前期经历过恒温蠕变（25℃、60℃、100℃）和温度循环蠕变试验（-60℃~100℃）的CFRP管件，开展准静态弯曲加载测试和微观观测研究，分析细观缺陷对管件弯曲性能的影响。在此基础上，对CFRP管件中的基体微裂纹和微孔洞开展理论建模，建立包含特定微裂纹密度和孔隙率的复合材料层合结构本构关系。以基体裂纹和平面圆形孔洞为例，分析了两种细观缺陷对材料刚度性能的影响，与文献中的实验结果对比表明，上述损伤模型能够预测由于微裂纹和微孔洞引起的材料刚度性能下降。进而以微裂纹密度和孔隙率为内变量，建立兼顾微观损伤响应和宏观性能表征的CFRP管件力学性能分析模型，运用有限元方法计算CFRP管件弯曲模量和弯曲强度，结果表明，该模型能够有效预测CFRP管件由蠕变损伤导致的弯曲性能变化。     

高温处理过程C/C复合材料微结构演变规律

对热解炭基、热解炭-树脂炭基C/C复合材料进行了1 500、1 800、2 100、2 500℃高温热处理。采用X射线衍射仪、激光拉曼光谱仪,对不同热处理温度及未进行热处理的2种C/C复合材料纳米尺度结构进行了表征;采用扫描电子显微镜、压汞仪,检测了其微米尺度孔隙缺陷。结果表明,随热处理温度的增加,微米尺度C/C复合材料的孔隙率逐渐增加,材料中裂纹型孔隙缺陷在热处理过程中,没有沿裂纹尖端的应力集中区域扩展,而是沿裂纹的宽度方向变化;纳米尺度C/C复合材料炭结构向理想微晶结构转变,缺陷逐渐减少,其变化趋势和微米尺度孔隙率的变化很相似。随热处理温度的增加,纳米尺度1-d002与微米尺度孔隙率呈线性关系趋势,并据此获得了用微米尺度孔隙率变化表征C/C复合材料石墨化度的经验公式。     

高温对复合材料长期性能影响的建模方法

聚合物基复合材料比金属或金属合金具有重量轻及耐高温的性能。但聚合物较大多数金属构件对裂缝更为敏感。在90°铺层中,横向、裂纹会使复合材料刚度和强度严重地削弱,最终导致基体结构破坏。为了发展高性能复合材料,研究了二种复合材料层板K3B/IM6和X5260/G40-800(此材料由波音公司出资,杜邦公司研究)。 该文介绍正交层合板中横向裂纹的机理。推导了一种模式来模拟系统的破坏机理。应用有限元程序分析由于横向裂纹引起的应变能的释放率,并采用弹性断裂力学准则为裂纹开始破坏建立临界条件。用此模型描述包括裂纹机理在内的主要因素的影响。把一些预期的参数影响与实验数据作了比较。     

三维连通网状SiC/Zr基非晶复合材料的组织与性能

以多孔SiC陶瓷为增强体,采用压力-浸渗-快凝法制备了三维连通网状SiC增强Zr基非晶复合材料,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析(EDXA)研究了预制体和复合材料的相组成和原始显微组织、界面形貌及断口形貌,探讨了网络结构陶瓷预制体的特性对复合材料组织的影响,以及复合材料中的界面对其力学性能的影响。结果表明,陶瓷预制体与Zr非晶复合后形成了具有双连续相的网络交叉结构,复合材料中陶瓷与非晶合金的界面处存在增强体成分Si与基体成分Zr之间相互扩散的扩散层,该扩散层厚度为1μm左右,界面结合机制主要为扩散结合和机械结合,适中的界面强度兼顾了复合材料的强度和韧性;增强体的断裂是复合材料断裂的主要机制,非晶合金发生粘性流动,在裂纹的扩展中起到了桥接的作用。     

固体推进剂/衬层界面裂纹的指数型分层界面层模型

建立了固体推进剂/衬层界面裂纹的指数型分层界面层模型,该模型将界面层划分为多个子层,并在每一子层中用指数函数表示界面层初始模量的分布。应用Fourier变换方法推导出一个Cauchy型奇异积分方程组,采用配点数值方法得到平面应力状态下裂纹问题的半解析解,并讨论了法向和剪切应力加载下界面层参数对应力强度因子的影响。结果表明,界面层模量降低时,应力强度因子的绝对值显著减小;界面层厚度对应力强度因子的影响相对不明显。     

固体火箭发动机界面脱粘裂纹分析

使用有限元法,在裂纹尖端周围布置有限奇异裂纹单元以模拟裂纹尖端附近的奇异性。针对轴对称发动机头部的界面脱粘裂纹,计算了点火内压作用下,发动机衬层/药柱、壳体/绝热层界面不同深度脱粘裂纹尖端的应力强度因子,指出应力强度因子随裂纹深度的发展规律。结果表明,当裂纹深度较小时,衬层/药柱界面处于闭合状态,应力强度因子几乎不发生变化,随着裂纹深度的增加,裂纹呈张开状态,裂纹尖端的应力强度因子不断增大;壳体/绝热层界面裂纹总是处于张开状态,且应力强度因子随裂纹深度的增加而增大。     

冲击载荷作用下的界面扩展裂纹

本文给出了在不同材料界面上扩展裂纹动力学问题解的一般表示。文中利用结合面的边界条件,将问题中所有各量用单一未知函数表示。利用复变函数理论,我们将在不同材料界面上受冲击载荷作用的扩展裂纹问题化为解析函数理论中的Keledysh-Sedov混合问题。文中给出这一问题的闭合解,并且给出了不同材料常数及裂纹扩展速度对应力场分布及应力强度因子的影响。     

SRM壳体/绝热层脱粘的XFEM

将扩展有限元法(XFEM)用于研究固体火箭发动机(SRM)壳体/绝热层的脱粘。将层隙型和紧贴型脱粘等效为双材料界面裂纹,建立了XFEM的双材料界面裂纹分析模型,并给出了其中核心算法——应变矩阵的求解,通过相互作用积分求出应力强度因子和能量释放率。算例结果表明,XFEM的计算结果与理论值的差异较小,可用于有效求解脱粘问题。     

ARALL层板分层破坏的研究

本文通过ＷＴＤＣＢ方法研究了胶粘剂韧性对ＡＲＡＬＬ层板Ⅰ型断裂破坏行为的影响，并对其裂纹扩展速率进行了计算及预测。结果表明，层板的Ⅰ型断裂均为多重混合型破坏，主要发生于芳纶／胶粘剂区域。铝／胶粘剂界面是强界面。改善胶粘剂与芳纶的界面粘合状况、提高胶粘剂的韧性是提高ＡＲＡＬＬ层板层间性能的有效途径。     

复合推进剂的细观失效机理分析

建立了颗粒填充复合推进剂的细观有限元模型,计算了颗粒与基体粘结完好和存在脱粘两种情况下颗粒与基体内的应力分布,分析了复合推进剂的细观失效机理。结果表明,在细观结构下,复合推进剂中的应力分布是不均匀的,推进剂一般首先在极区产生脱粘,颗粒的大小对推进剂的力学性能有较大影响。     

随机振动疲劳试验的小裂纹扩展分析方法

针对某型液体火箭发动机管路接头的随机振动疲劳试验,基于断裂力学的小裂纹理论进行了裂纹扩展寿命分析。分别从小裂纹应力强度因子计算、疲劳应变/应力谱、裂纹扩展速率曲线以及裂纹扩展计算程序等方面进行了研究。使用FRANC3D(试用版)进行三维裂纹的有限元计算,得到了管路结构表面裂纹的应力强度因子变化规律;对应变实测数据进行了雨流计数,获得了用于裂纹扩展计算的应力循环谱块,研究了疲劳试验的应变循环峰值、幅值等时域分布特征;采用Newman闭合理论对长裂纹的NASGRO裂纹扩展速率曲线进行修正,给出了试验件材料的相关参数;最后,使用一种疲劳应力谱块平均施加方法进行了裂纹扩展寿命的快速计算。通过与试验结果对比,验证了计算方法有效、可靠。     

界面位错的瞬态运动和界面裂纹的自相似扩展

本文首先利用Ｆｏｕｒｉｅｒ和Ｌａｐｌａｃｅ变换并结合Ｃａｇｎｉａｒｄ－ｄｅＨｏｏｐ反演方法求解了单个界面螺位错的瞬态运动问题，然后以单个位错由静止匀速运动的解作为基本解建立奇异积分方程求解了运动集中载荷作用下界面裂纹的反平面非对称自相似扩展，进一步由此解获得ｘｎ型载荷作用下界面裂纹自相似扩展的动应力强度因子     

正交各向异性单向复合材料裂纹尖端塑性区求解

基于复合材料力学基本理论,推导了Tsai-Hill准则、Hoffman准则和Tsai-Wu准则在平面问题下的一般表达式,在平面应力和应变状态下,得到复合材料中心裂纹板裂纹尖端塑性区的解析解.结果表明,基于Tsai-Wu准则得到的Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹裂尖塑性区范围最小.平面应变状态下的裂尖塑性区范围小于平面应力状态下的裂尖塑性区范围.裂纹倾角β对复合材料裂尖塑性区范围和形状有明显影响,不同值得到的塑性区结果差别很大.不论是平面应力还是平面应变条件,裂纹尖端塑性区域都随着裂纹倾角的增大而增大.     

固体火箭发动机药柱表面裂纹分析

为了分析含表面裂纹的固体火箭发动机药柱在温度、燃气内压与轴向过载联合作用下的扩展情况,在固体火箭发动机的危险截面上沿危险方向预设表面裂纹。采用有限元方法,在裂纹尖端构建三维奇异裂纹元,模拟裂纹扩展,分别计算随着裂纹扩展所对应裂纹深度的应力强度因子,得到了应力强度因子随裂纹深度的变化规律。根据应力强度因子的变化规律,探讨了发动机药柱裂纹扩展的趋势。